Формулювання третього закону Ньютона: приклади, звязок з прискоренням системи та її імпульсом

Рух усіх оточуючих нас макроскопічних об’єктів описується за допомогою так званих трьох законів Ньютона. У цій статті не будемо говорити нічого про перших двох з них, а розглянемо докладно третій закон Ньютона і приклади його прояви в житті.

Формулювання закону

Кожен з нас помічав, що при стрибку на яку-небудь поверхню вона ніби «вдаряє» по наших ніг, або ж якщо взятися за кермо велосипеда, то він починає тиснути на долоні. Все це приклади третього закону Ньютона. В курсі фізики в загальноосвітніх школах він формулюється наступним чином: будь-яке тіло, що робить силову дію на певне інше тіло, відчуває аналогічне вплив від останнього, спрямоване в протилежну сторону.

Математично цей закон може бути записаний в наступному вигляді:

F12 = -F21

У лівій частині рівності записана сила, з якою перше тіло діє на друге, у правій частині стоїть аналогічна по модулю сила, з якою друге тіло впливає на перше, але вже в протилежному напрямку (тому з’являється знак мінуса).

Рівність модулів і протилежний напрямок розглянутих сил призвели до того, що цей закон часто називають взаємодією, або принципом дії-протидії.

Загрузка...

Дія на різні тіла — ключовий момент розглянутого закону

Поглянувши на наведену вище формулу, можна подумати, що раз вже сили по модулю рівні, а за напрямом протилежні, то навіщо взагалі їх розглядати, адже вони анулюють один одного. Це судження є помилковим. Доказом цього є величезна кількість прикладів третього закону Ньютона з життя. Наприклад, кінь тягне віз. Згідно цього закону кінь впливає на віз, але з такою ж силою остання діє на тварину в протилежному напрямку. Тим не менше вся система (кінь і віз) не стоїть на місці, а рухається.

Дивіться також:  Дискриминант: приклади розвязування рівнянь

Наведений приклад показує, що розглянутий принцип дії-протидії не є таким простим, як це здається на перший погляд. Сили F12 і -F21 не анулюються, оскільки прикладені до різних тіл. Кінь не стоїть на місці, хоча віз і перешкоджає цьому, тільки тому, що на її копита діє ще одна сила, яка прагне повідомити прискорення тварині — це вплив поверхні землі (реакція опори).

Таким чином, при вирішенні завдань на 3-й ньютонівський принцип слід завжди розглядати сили, які діють на окремі конкретні тіла, а не на всю систему відразу.

Зв’язок з законом збереження кількості руху

Третій ньютонівський закон по суті є причиною збереження імпульсу системи. Дійсно, розглянемо один цікавий приклад третього закону Ньютона — рух ракети в космічному просторі. Всім відомо, що воно здійснюється за рахунок реактивної тяги. Але звідки береться ця тяга? Ракета несе на своєму борту баки з паливом, наприклад з газом і киснем. Під час згоряння паливо залишає ракету і вилітає з величезною швидкістю в космічний простір. Цей процес характеризується впливом згорілих газів на корпус ракети, останній же впливає на гази з аналогічною силою. Результат проявляється у прискоренні газів в одну сторону, а ракети — в іншу.

Але ж цю задачу можна розглянути і з точки зору збереження імпульсу. Якщо врахувати знаки швидкостей газу і ракети, то сумарний імпульс виявиться рівним нулю (він таким і був до згоряння палива). Імпульс зберігається лише тому, що діють згідно з принципом дії-протидії сили є внутрішніми, існуючими між частинами системи (ракетою і газами).

Як цей принцип пов’язаний з прискоренням всієї системи?

Іншими словами, як зміняться сили F12 і -F21, якщо система, в якій вони виникають, буде рухатися прискорено? Звернемося до прикладу з конем і возом. Припустимо, вся система почала збільшувати свою швидкість, проте сили F12 і -F21 залишаться при цьому незмінними. Прискорення виникає за рахунок збільшення сили, з якою поверхню землі діє на копита тварини, а не за рахунок зменшення сили протидії вози -F21.

Дивіться також:  Формула обєму бочки: обчислюємо без проблем

Таким чином, взаємодії всередині системи не залежать від її зовнішнього стану.

Загрузка...

Деякі приклади з життя

«Наведіть приклади третього закону Ньютона» — це завдання часто можна чути від шкільних вчителів. Вище вже були наведені приклади з ракетою і конем. У списку нижче перерахуємо ще деякі:

  • відштовхування плавця від стінки басейну: плавець отримує прискорення, оскільки на нього впливає стіна;
  • політ птаха: штовхаючи повітря вниз і назад при кожному помаху крила, птах отримує поштовх від повітря вгору і вперед;
  • відскік футбольного м’яча від стіни: прояв протидії сили реакції стіни;
  • тяжіння Землі: з якою силою наша планета притягує нас вниз, з точно такою ж ми впливаємо на неї вгору (для планети це мізерна сила, вона її «не помічає», а ми — так).

Всі ці приклади приводять до важливого висновку: будь-які силові взаємодії в природі завжди виникають у вигляді пари протидіючих сил. Неможливо чинити вплив на об’єкт, не зазнавши при цьому його протидію.

Дивіться також: